矿井采空区瞬变电磁法适用性研究

樊林林,陈健强,王克南,马志超

(1.山西晋煤集团技术研究院有限责任公司,山西 晋城 048006; 2.煤炭科学技术研究院有限公司 安全分院,北京 100013)

煤矿水害是煤矿生产中经常遇到的地质灾害,是制约煤矿安全生产的主要因素之一。在矿井防治水工作中,治理井下水害首要的任务是对水害范围和水害源的提前探测,并预测、预报可能发生的水害事故,针对性地采取不同的治理措施。矿井瞬变电磁法应用于井下富水异常区探测,已经积累了大量有效的实例并得到广泛的应用[1-3]。瞬变电磁法对低阻体反应灵敏,对矿井周边含水体的探测效果明显,可为矿井防治水提供预测预报,有效地防范生产中的矿井水害。本文主要对矿井瞬变电磁法进行数值模拟[4-6],并结合实际应用对采空区不同含水条件进行分析研究,总结其适用性,以便在实际应用中更加有针对性地进行水害探测。

1 物性基础

自然沉积状态下,煤岩层在纵向上各沉积层层序分明,其导电性有特定规律,在横向上同层沉积均一,其导电性也较一致。煤岩层经后期地质活动改造或经采掘,工作面及巷道坍塌、回填、充水等一系列变化后,其导电性将发生显著变化。矿井瞬变电磁法就是根据异常区域与正常煤岩层之间的电性差异来预测预报异常区域。一般来说，构造及煤岩层破碎区由于空隙的存在,导电性变差,导电性上表现为高阻；若这些空隙充水后,由于矿井水中各类矿物溶解质的存在,其整体表现为低阻；即理论上断层、陷落柱等地质构造,无论其是否含水,都会表现出与周围正常煤岩层不同的导电性。相对于地质构造内的空隙,采掘活动遗留的煤层采空区内的空隙空间更大,其充水后,导电性能将大幅度提高。因此,理论上矿井瞬变电磁法对采空区积水的反应比地质构造更明显。

2 数值模拟

井下采空区的赋存状态复杂多变,影响其全空间瞬变电磁响应特征的因素众多,总结各类因素的响应特征对物探成果的解释具有重要意义。利用有限元正演方法,构建不同围岩介质、充水量、形态、探测距离等采空区，并进行三维模拟。模型构建为简单20 km×20 km×20 km正方体均质地层,以便减小边界效应。探测线圈采用2 m×2 m,加载3 A阶跃电流,0～10 ms内接收,最小时间间隔为0.1 μs。观测采集系统采用单方向定点观测,对观测方向上设置的模型电性特征进行分析。

2.1 采空区围岩介质

围岩与异常体体积差异巨大,围岩产生的涡流对异常体二次场响应特征有较大影响,研究围岩与异常体电性感应特征非常必要。

设定模型中采空区异常体为充水区。由于采空区的特殊环境(金属锚杆网支护等),使得采空区积水中电导率比普通地下水电导率(1.4 S/m)大,取采空水电导率为4 S/m。采空区大小为40 m×40 m×40 m,距离探测点50 m。围岩电导率结合实际煤岩样测试,分别取为 0.05,0.01,0.005 S/m。模拟求解后的地层综合二次场感应电动势特征如图1所示,图中曲线为半对数坐标系中成图,以便更直观体现出结果的差异性。

图1 不同围岩介质地层综合二次场电动势曲线对比图Fig.1 Curve comparison of secondary induction electromotive force in surrounding rock with different media formation

图1中,红色曲线为不考虑围岩体涡流影响的单一低阻异常体感应电动势。其他三条曲线则是考虑围岩体涡流影响下的地层综合二次场感应电动势。分析图1可知,在相同条件下,围岩的电导率越大,接收线圈的整体感应电动势值越高,对初期的低阻异常响应影响越大。围岩体与低阻异常体电性特征差异越大,线圈接收的二次场信号越能反应异常体的真实响应特征。

不同围岩介质二次场电动势曲线对比图如图2所示。图2(a)为单一低阻异常响应及单一围岩体响应特征。由图2(a)可知,虽然围岩电导率远小于低阻异常电导率,但其体积远大于低阻异常,使得二次场观测初期围岩响应信号强于低阻异常体响应信号。围岩体的二次场随观测时间的推移,迅速衰减至低阻异常体响应信号之下,且围岩电导率越小衰减速度越快。

(a)不同介质围岩电性响应

(b)围岩与低阻异常电性响应差异图2 不同围岩介质二次场电动势曲线对比图Fig.2 Curve comparison of the secondary induction electromotive force in surrounding rock with different media

图2(b)为围岩电导率为 0.01 S/m 条件下,单一围岩、单一低阻异常体和地层综合条件下二次场感应电动势曲线。由图2(b)可知,受围岩感应信号影响,二次场观测初期地层综合电性响应曲线高于单一低阻异常电性响应曲线,但随着围岩体二次场的迅速衰减,二者电性响应曲线趋于一致。

通过分析可知,在探测初期围岩体感应涡流场对低阻异常体响应信号干扰较强,但若二者电性差异增大,地层综合响应更加贴近异常体的感应特征。

2.2 采空区含水量差异

设定模型为 40 m×40 m×40 m采空区,距离探测点50 m,内部充水量为全充水、3/4 充水、1/2 充水、1/4 充水及不含水,采空区内部含水量差异模型如图3所示,红色表示充量。围岩的电导率取 0.01 S/m,充水采空区电导率取4 S/m,空气电导率取 1×10-7S/m,二次场感应电动势对比如图4所示。

图3 采空区内部含水量差异模型Fig.3 Models of goaf with different water content

图4 含不同水量采空区二次场感应电动势响应特征曲线图Fig.4 Response characteristic curves of secondary induction electromotive force in goaf with different water content

由图4中可知,采空区内部充水时,其感应电动势明显高于地层感应电动势,且其充水量越多,整体感应电动势值越高,其电动势曲线衰减越慢,探测中晚期信号相对越稳定可靠。而当采空区内部不充水时,感应电动势值与均匀地层条件下的差异较小,显现出了瞬变电磁法对高阻体的敏感度远低于相同体积的低阻体,即无法很好地探测出不含水采空区。

2.3 采空区规模大小

设定充水采空区模型电导率为4 S/m,距离探测点50 m,大小分别为20 m×20 m×20 m、40 m×40 m×40 m、60 m×60 m×60 m,采空区不同规模模型如图5所示。二次场感应电动势对比如图6所示。

图5 采空区不同规模模型Fig.5 Models of goaf with different scales

图6 不同规模采空区二次场感应电动势特征曲线图Fig.6 Characteristic curves of secondary induction electromotive force in goaf with different scales

由图6可知,充水采空区规模越大,感应电动势越高,衰减越慢,探测中晚期信号相对越稳定可靠。

2.4 采空区形态

采空区形态各异,针对典型形态进行模拟。设定充水采空区体积相同,电导率为4 S/m,距离探测地点30 m,采空区尺寸分别为40 m×40 m×40 m、6.4 m×100.0 m×100.0 m,如图7(a)、图7(b)所示。图7(c)为图7(b)绕Y轴旋转45°。二次场感应电动势对比如图8所示。

图7 不同形态采空区模型Fig.7 Models of goaf with different shapes

图8 不同形态采空区二次场感应电动势特征曲线图Fig.8 Characteristic curves of induction electromotive force of secondary field in goaf with different shapes

由图8可知,水平板状充水采空区的二次场感应电动势整体低于立方体状充水采空区的感应电动势值,在断电初期受围岩体涡流影响较大,观测初期迅速下降,而后衰减速度趋缓。由两个板状采空区曲线可知,水平板状整体感应电动势值低于倾斜板状,且观测初期感应电压衰减更快,晚期更易受各类干扰影响,即瞬变电磁法对于水平层状含水层探测效果不明显。

2.5 采空区探测距离远近

设定模型为40 m×40 m×40 m充水采空区,电导率为 4 S/m,研究探测地点距离及位置对探测结果的影响。图9为采空区距迎头不同水平距离模型,探测距离分别为30,50,70 m。距迎头不同水平距离采空区二次场感应电动势特征如图10所示。图11为采空区距迎头不同垂直距离模型,探测距离为50 m,其中心位置分别位于探测水平面及之上20，50 m。二次场感应电动势对比如图12所示。

图9 采空区距迎头不同水平距离模型Fig.9 Models of different horizontal distance from goaf to head-on face

图10 距迎头不同水平距离采空区二次场感应电动势特征曲线图Fig.10 Characteristic curves of secondary induction electromotive force with different horizontal distance from goaf to head-on face

图11 采空区距迎头不同垂直距离模型Fig.11 Models of different vertical distance from goaf to head-on face

由图10可知,探测地点水平方向上距离充水采空区越近,感应电动势越高,远离充水采空区整体感应电动势下降,衰减趋势一致,衰减曲线近似保持平行关系。

图12 距迎头不同垂直距离采空区 二次场感应电动势特征曲线图Fig.12 Characteristic curves of secondary induction electromotive force with different vertical distance from goaf to head-on face

图12为距迎头不同垂直距离采空区二次场感应电动势特征曲线图。与图10对比可知,探测距离在水平方向和垂直方向上,感应电动势响应特征规律相似,即随着距离的增大,整体感应电动势值逐步减小,且衰减趋势保持一致。

3 结论

1)采空区与围岩不同电性差异模拟显示出探测初期围岩体感应涡流场对低阻异常体响应信号干扰较强,但若二者电性差异增大,采空区响应特征越明显,更易区分出采空区异常区域。

2)采空区规模大小、充水量多少、不同形态位置及距离探测线框远近等不同条件的数值模拟显示出采空区内部充水时,其感应电动势明显高于地层感应电动势,而当采空区内部不充水时,感应电动势值与均匀地层条件下差异较小,显现出了瞬变电磁法对高阻体的敏感度远低于同体积大小的低阻体,即无法有效地探测出不含水采空区。采空区充水规模越大,距离探测位置越近,与线框法线方向越接近时,感应电动势越高,衰减越慢,探测中晚期信号相对越稳定可靠,对采空区的反应越明显。

3)相同体积采空区积水数值模拟,显示出立方体响应特征明显强于水平层状。即采空水体积相同的条件下,与分布较分散的“层状”含水体相比,矿井瞬变电磁法对分布较集中的“块状”含水体的反应更敏感。